Вихревые расходомеры

Что такое вихревой расходомер?

Вихревой расходомер — это объемный расходомер, который определяет скорость потока, подсчитывая вихри, периодически срывающиеся с плохообтекаемого тела, установленного в потоке. В достаточно турбулентном потоке частота срыва вихрей прямо пропорциональна скорости, поэтому прибор работает по одному и тому же принципу независимо от того, что измеряется: жидкость, газ или пар.

Каждый корпус расходомера калибруется на заводе на воде и получает собственный калибровочный коэффициент — K-фактор. Он определяется геометрией корпуса и тела обтекания и не зависит от плотности и вязкости среды, поэтому калибровка на воде сохраняет силу и при работе на паре и газе. Электроника автоматически корректирует K-фактор с учетом влияния температуры процесса на материал корпуса.

В системах КИПиА такие приборы применяются прежде всего на паропроводах, в котельных, во вспомогательных системах сжатого воздуха и азота, а также в углеводородных процессах. В отличие от метода переменного перепада давления, вихревой метод не требует импульсных линий, клапанного блока и отдельного датчика перепада давления. Для точного измерения достаточно, чтобы среда была однородной и однофазной, а поток — выше минимального числа Рейнольдса.

Вихревая дорожка Кармана: принцип вихревого измерения расхода

Вихревое измерение основано на хорошо известном явлении гидродинамики: за плохообтекаемым телом в потоке вихри поочередно срываются то с одной, то с другой стороны и образуют регулярную структуру. Измерительная цепь работает в несколько этапов:

Отрыв потока на теле обтекания

Поток, набегающий на тело обтекания, установленное поперек проходного сечения трубы, отрывается на обеих его кромках. Оторвавшийся поток образует вихри, которые поочередно срываются за телом обтекания; в гидродинамике эту регулярную последовательность называют вихревой дорожкой Кармана.

Связь частоты срыва вихрей со скоростью потока

Частота срыва вихрей (f) прямо пропорциональна скорости потока (v) и обратно пропорциональна ширине тела обтекания (d): f = St · v / d. Поскольку число Струхаля (St) в диапазоне измерения практически постоянно, частота служит прямой мерой скорости; умножение скорости на площадь сечения трубы дает объемный расход.

Регистрация колебаний сенсором

Срывающиеся вихри создают на теле обтекания знакопеременные силы. Эти колебания регистрирует сенсор, который не контактирует со средой и находится за пределами границы уплотнения процесса. Сенсор с балансировкой масс в сочетании с адаптивной цифровой обработкой сигнала помогает отличать вибрацию трубопровода от истинного сигнала расхода.

Расчет объемного и массового расхода

Электроника пересчитывает частоту в объемный расход с помощью K-фактора. В многопараметрических исполнениях по датчику температуры, установленному в теле обтекания, и при необходимости по давлению от внешнего датчика давления рассчитываются плотность и массовый расход. Результаты передаются через 4–20 мА/HART, импульсный выход, FOUNDATION Fieldbus или Modbus.

Число Рейнольдса и измеряемый диапазон расхода

Линейная зависимость между частотой и скоростью сохраняется только при достаточно турбулентном потоке. Нормированная погрешность измерения объемного расхода действует при числе Рейнольдса выше 20 000 для жидкостей и выше 15 000 для газа и пара. При снижении числа Рейнольдса до 10 000 предел погрешности линейно возрастает до ±2 %, а в интервале от 10 000 до 5 000 расширяется до ±2–6 %; для типоразмеров 15–100 мм минимальное измеряемое число Рейнольдса составляет 5 000.

В большинстве применений практическая нижняя граница измерения соответствует скорости потока около 0,2 м/с для жидкостей и около 2 м/с для газа и пара. Поэтому вихревой прибор часто выбирают на один или несколько типоразмеров меньше диаметра трубопровода. Точные значения минимального и максимального расхода, потери давления и ожидаемой погрешности определяются расчетом подбора с учетом плотности и вязкости среды.

Монтажное положение не влияет на точность: прибор сохраняет нормированную погрешность на горизонтальных, вертикальных и наклонных участках. На горизонтальных трубопроводах тело обтекания рекомендуется располагать горизонтально, чтобы твердые частицы в жидкости или капли в газе и паре не нарушали частоту срыва вихрей

Конструкция и функциональные особенности

·         Цельносварной корпус без уплотнений: В корпусе нет отверстий, уплотнений и полостей, которые могут засориться, поэтому потенциальных мест утечки меньше. В исполнении под приварку исчезают и фланцевые прокладки: корпус вваривается непосредственно в технологический трубопровод.

·         Изолированный сменный сенсор: Сенсор не контактирует со средой и заменяется без нарушения герметичности процесса. Во всех типоразмерах используется одна и та же конструкция сенсора, поэтому один запасной сенсор подходит для приборов разных диаметров.

·         Замена сенсора без остановки процесса: Опция с запорным клапаном для ответственных применений позволяет убедиться в отсутствии среды в полости сенсора и заменить сенсор под работающим процессом без байпасной линии.

·         Многопараметрический выход: Термопара типа N, для которой тело обтекания служит защитной гильзой, позволяет рассчитывать массовый расход с коррекцией по температуре для насыщенного пара и жидкостей. С внешним датчиком давления, работающим в пакетном режиме HART, доступны коррекция по давлению для насыщенного пара и комбинированная коррекция по температуре и давлению для перегретого пара.

·         Сигнализация низкого перегрева: При работе на перегретом паре прибор может выдавать предупреждение или сигнал тревоги, когда степень перегрева приближается к линии насыщения, — ухудшение качества пара обнаруживается заблаговременно.

·         Корпус с редукцией: Переходные фланцы встроены в корпус, а измерительное сечение на один номинальный диаметр меньше трубопровода. Строительная длина совпадает со стандартным корпусом, поэтому прибор устанавливается без изменения трассировки и без монтажа переходов на объекте.

·         Двухсенсорное и четырехканальное исполнения: Корпус с двумя сенсорами обслуживает задачи безопасности за счет резервированных электроники и сенсоров. В четырехканальном исполнении два тела обтекания и четыре преобразователя обеспечивают голосование «2 из 3» (2oo3) и дополнительно независимый выход для управления процессом.

·         Выносная электроника: В точках измерения с высокой температурой или затрудненным доступом преобразователь можно установить отдельно, подключив его стандартным или бронированным сигнальным кабелем; стандартные длины — 3, 6, 10, 15 и 23 м.

·         Диагностика смены фазы: Опциональная технологическая диагностика распознает переход среды из жидкой фазы в газовую и выдает предупреждение через цифровой, аналоговый или импульсный выход — это полезно на линиях сброса воды из сепараторов и в циклах продувки.

·         Проверка на месте и счетчик наработки: Встроенная диагностика с внутренним генератором сигнала позволяет проверить электронику и сенсор на месте установки без остановки процесса. Опциональный счетчик наработки фиксирует общее время работы.

·         Широкий выбор корпусов и присоединений: Бесфланцевое, фланцевое, с редукцией, под приварку, с резьбовыми концами, двухсенсорное, четырехканальное и высоконапорное исполнения позволяют согласовать прибор с различными стандартами трубопроводов.

Технические характеристики вихревых расходомеров

Приведенные значения относятся к семейству вихревых расходомеров, описанному на этой странице. Погрешность, пределы скорости и температурные диапазоны зависят от исполнения корпуса, типоразмера, материала проточной части и выбранных опций; окончательные значения следует подтверждать расчетом подбора и на этапе проекта.

Максимальная измеряемая скорость и безвозвратная потеря давления зависят от плотности среды и рассчитываются для каждого применения с помощью программы подбора. Сертификаты взрывозащиты могут сужать допустимые диапазоны температуры процесса и окружающей среды.

Основные преимущества

·         Меньше риск утечек и засорения: Сварная конструкция без отверстий, уплотнений и импульсных линий сокращает число потенциальных мест утечки и отказов из-за засорения на линиях пара и опасных сред.

·         Одна калибровка для трех фазовых состояний: Благодаря K-фактору, не зависящему от плотности и вязкости, один и тот же прибор применим для жидкости, газа и пара; периодическая подстройка нуля не требуется.

·         Более простая точка измерения: Не нужны импульсные линии, клапанный блок и датчик перепада давления, характерные для узлов с сужающими устройствами; корпус с редукцией исключает монтаж переходов на объекте, а многопараметрический выход может заменить отдельное измерение температуры.

·         Непрерывность процесса: Поскольку сенсор заменяется без нарушения уплотнения процесса, при обслуживании и проверках редко приходится опорожнять трубопровод или останавливать участок установки.

·         Пригодность для систем безопасности: Выход 4–20 мА с сертификацией по IEC 61508, двухсенсорное и четырехканальное исполнения позволяют строить архитектуры, отвечающие требованиям SIL 2 и SIL 3 в инструментальных функциях безопасности.

·         Высокое давление и широкий диапазон температуры: Присоединения до ASME Class 1500 и PN 160, варианты температуры от –200 °C до +450 °C позволяют применять прибор в сложных условиях энергетических и углеводородных процессов.

·         Стабильность при вибрации: Сенсор с балансировкой масс и адаптивная обработка сигнала ограничивают влияние вибрации трубопровода от насосов и компрессоров на результат измерения.

·         Меньший склад запасных частей: Единая конструкция сенсора для всех типоразмеров позволяет обслуживать многие точки измерения разных диаметров одним типом запасного сенсора.

Применение для пара, газа и жидкостей

Вихревые расходомеры охватывают широкий круг задач — от линий общего назначения с однородным однофазным потоком и достаточным числом Рейнольдса до ответственных применений с высокой температурой, высоким давлением и требованиями безопасности.

Производство и распределение пара

Массовый расход рассчитывается с коррекцией по температуре для насыщенного пара и по температуре и внешнему измерению давления для перегретого пара; сигнализация низкого перегрева заблаговременно сообщает об ухудшении качества пара. Для внешних трубопроводов котлов доступны варианты соответствия ASME B31.1. Если в корпусе нет встроенного датчика температуры, ее можно измерять отдельно с помощью преобразователей температуры.

Вспомогательные системы и промышленные газы

Легкий и экономичный бесфланцевый корпус — практичное решение для вспомогательных линий сжатого воздуха, азота и воды. Для газопроводов большого диаметра или очень низкого давления в качестве альтернативы можно рассмотреть ультразвуковые расходомеры газа.

Добыча нефти и газа

Прорыв газа через линию сброса воды из сепаратора можно обнаружить дистанционно с помощью диагностики смены фазы. Материалы соответствуют рекомендациям NACE MR0175/ISO 15156 для сред нефтепромысловой добычи, содержащих H₂S; сертификат соответствия поставляется опционально.

Процессы нефтепереработки

Материалы, соответствующие NACE MR0103 для коррозионных сред нефтепереработки, варианты проточной части из никелевого сплава и супердуплексной стали и присоединения до ASME Class 1500 позволяют применять прибор на углеводородных линиях с высокими температурой и давлением.

Системы противоаварийной защиты

Там, где важно резервирование, выбирают двухсенсорный корпус; для функций с голосованием «2 из 3» (2oo3) применяют четырехканальное исполнение. Выход 4–20 мА с сертификацией по IEC 61508 допускается в функциях безопасности до SIL 3.

Продувка и циклы мойки CIP

В циклах продувки и безразборной мойки (CIP) паром, азотом или воздухом один встроенный в линию вихревой прибор измеряет расход основной технологической среды и одновременно фиксирует переход из жидкой фазы в газовую, формируя сигнал для управления циклом.

Кислородные среды и низкие температуры

Для работы с кислородом предлагается специальная очистка. Опция расширенного температурного диапазона при подходящих материалах проточной части позволяет измерять низкотемпературные среды с температурой, приближающейся к –200 °C.

Подбор типоразмера и критерии выбора вихревого расходомера

Хороший результат вихревого измерения начинается с правильного подбора типоразмера: выбирая для той же линии корпус меньшего диаметра или корпус с редукцией, диапазон измерения согласуют с фактическим диапазоном расходов процесса. Для технической оценки рекомендуем подготовить следующие данные:

Среда и технологические параметры

·         Среда и ее фаза: жидкость, газ, насыщенный или перегретый пар (среда должна быть однородной и однофазной)

·         Плотность и вязкость в рабочих условиях (для расчета числа Рейнольдса)

·         Минимальные / номинальные / максимальные значения расхода, температуры и давления

·         Риск кавитации в жидкостях: поддержание давления в линии выше минимального значения, зависящего от потери давления (ΔP) и давления насыщенных паров (pv), например 2,9 × ΔP + 1,3 × pv; при необходимости — клапан противодавления

·         Коррозионные компоненты (H₂S, хлориды и т. п.) и требования к материалам проточной части

Типоразмер и диапазон измерения

·         Минимальный расход выше практической нижней границы (около 0,2 м/с для жидкости, около 2 м/с для газа/пара) и минимального числа Рейнольдса

·         Потребность в корпусе меньше диаметра трубопровода или в корпусе с редукцией

·         Верхняя граница точного измерения при максимальном расходе и допустимая безвозвратная потеря давления

·         При необходимости массового расхода — коррекция по температуре, по давлению или комбинированная

Условия монтажа и площадки

·         Прямые участки до и после прибора (35D / 5D — без коррекции K-фактора; до прибора не менее 10D)

·         Монтажное положение: на горизонтальных линиях тело обтекания располагается горизонтально

·         Уровень и источник вибрации трубопровода (насос, компрессор, регулирующий клапан)

·         Выносная электроника вместо интегральной при высокой температуре процесса и длина кабеля

·         Классификация взрывоопасной зоны и требуемый вид сертификата

Функции, резервирование и безопасность

·         Требование SIL: выход с сертификацией по IEC 61508 доступен только с 4–20 мА/HART и не сочетается с многопараметрическими опциями и диагностикой смены фазы

·         Потребность в резервировании: двухсенсорный корпус или четырехканальное исполнение с голосованием «2 из 3»

·         Необходимость замены сенсора без остановки процесса (недоступно для бесфланцевых корпусов и некоторых сочетаний типоразмера и материала)

·         Совместимость многопараметрического выхода с исполнением корпуса и типоразмером (40–300 мм для фланцевых корпусов, 50–300 мм для корпусов с редукцией)

Интеграция и документация

·         Интерфейс системы управления: 4–20 мА/HART, FOUNDATION Fieldbus или Modbus RS-485

·         Датчик давления с поддержкой пакетного режима HART для коррекции по давлению

·         Потребность в уровнях сигнализации и насыщения по NAMUR

·         Требования к оборудованию под давлением, NACE, ASME B31.1, сертификатам на материалы и калибровку

Для двухфазных, пульсирующих потоков и потоков с очень низким числом Рейнольдса более подходящей может оказаться другая технология; в таких случаях стоит рассмотреть также кориолисовые массовые расходомеры или решения на основе перепада давления.

Функциональная безопасность, взрывозащита и стандарты

Ниже перечислены основные варианты сертификации, одобрений и соответствия для семейства вихревых расходомеров. Область действия каждого сертификата следует подтверждать вместе с типом выхода и выбранными опциями.

Приведенные значения погрешности не подразумевают сертификации в сфере законодательной метрологии для расчетных операций между поставщиком и потребителем; такие требования оцениваются отдельно для каждого проекта. Ограничения, зависящие от температурного класса и вида взрывозащиты, следует подтверждать по выбранному коду сертификата.

Инженерная поддержка TLY Enerji для точек измерения расхода

Работа вихревого расходомера на объекте во многом определяется подбором типоразмера: корпус того же диаметра, что и трубопровод, при малых расходах может выйти за пределы диапазона измерения. TLY Enerji рассматривает свойства среды вместе с фактическими рабочими расходами и оценивает типоразмер корпуса, выбор между стандартным корпусом и корпусом с редукцией, число Рейнольдса, потерю давления и риск кавитации.

Для паровых систем мы прорабатываем многопараметрическое измерение и интеграцию внешнего датчика давления, для задач безопасности — резервированные архитектуры и документацию SIL, для взрывоопасных зон — выбор сертификатов в соответствии с требованиями проекта. Мы поддерживаем специалистов на объекте при подготовке монтажных решений, интеграции в РСУ и ПЛК, проверке конфигурации и настроек отсечки малого расхода при пусконаладке, а в период эксплуатации — при замене сенсора и анализе диагностики.

Часто задаваемые вопросы о вихревых расходомерах

Как работает вихревой расходомер?

Когда поток набегает на тело обтекания, установленное поперек сечения трубы, за ним поочередно срываются вихри. Частота их срыва прямо пропорциональна скорости потока. Сенсор, не контактирующий со средой, регистрирует колебания, которые вихри вызывают на теле обтекания; электроника пересчитывает частоту в объемный расход по заводскому K-фактору и передает результат через выход 4–20 мА/HART, импульсный выход, Fieldbus или Modbus.

Как измерить массовый расход пара вихревым расходомером?

В многопараметрических исполнениях термопара типа N, установленная в теле обтекания, измеряет температуру процесса; по ней рассчитывается плотность насыщенного пара и затем массовый расход. Типичная погрешность этого метода — ±2,0 % от измеренного значения. Если давление поступает от внешнего датчика давления в пакетном режиме HART, возможны коррекция по давлению для насыщенного пара и комбинированная коррекция по температуре и давлению для перегретого пара; при коррекции по давлению погрешность снижается до ±1,3 %.

Может ли вихревой расходомер измерять малые расходы?

У вихревого метода есть нижний предел: на практике требуется скорость потока около 0,2 м/с для жидкостей и около 2 м/с для газа и пара, а для типоразмеров 15–100 мм — число Рейнольдса не ниже 5 000. Для малых расходов корпус выбирают меньше диаметра трубопровода. Например, фланцевый корпус 50 мм измеряет воду примерно в диапазоне 1,81–59,4 м³/ч, а корпус с редукцией на той же линии снижает нижнюю границу примерно до 1,10 м³/ч.

Какие преимущества дает корпус с редукцией?

В корпусе с редукцией переходные фланцы встроены в конструкцию, а измерительное сечение на один номинальный диаметр меньше трубопровода. Благодаря этому при малых расходах скорость потока возрастает и измеряемый диапазон расширяется, а на объекте не нужно устанавливать переходы и дополнительные катушки. Строительная длина совпадает со стандартным корпусом, поэтому при изменении технологических условий прибор можно заменить, не затрагивая трассировку трубопровода и чертежи.

Какие прямые участки нужны вихревому расходомеру?

Нормированная погрешность зависит от длины прямого участка от ближайшего местного сопротивления. При 35 диаметрах трубы до прибора и 5 диаметрах после него коррекция K-фактора не требуется. Если прямой участок до прибора сокращен до рекомендуемого минимума в 10 диаметров, K-фактор может сместиться до 0,5 %; это влияние компенсируется введением поправки на условия монтажа.

Можно ли применять вихревой расходомер в системах с требованиями SIL?

Да. Выход 4–20 мА сертифицирован по IEC 61508 аккредитованным независимым органом и подходит для функций безопасности до SIL 2 при одноканальном использовании (1oo1) и до SIL 3 при резервировании (1oo2). Двухсенсорный корпус обеспечивает резервированную схему, а четырехканальное исполнение — голосование «2 из 3» (2oo3). Выход с сертификацией безопасности не предлагается в сочетании с выходами Fieldbus и Modbus, а также с многопараметрическими опциями.

Нужно ли останавливать процесс при отказе сенсора?

Нет. Сенсор не контактирует со средой и находится за пределами границы уплотнения процесса, поэтому его можно заменить без опорожнения трубопровода и без нарушения герметичности. Опция с запорным клапаном для ответственных применений позволяет убедиться в отсутствии среды в полости сенсора и заменить сенсор под работающим процессом без байпасной линии. Эта опция недоступна для бесфланцевых корпусов и для некоторых сочетаний типоразмера и материала.

Влияет ли вибрация трубопровода на вихревое измерение?

Сильная вибрация может создавать ложный сигнал расхода при его фактическом отсутствии. Сенсор с балансировкой масс и адаптивная цифровая обработка сигнала сводят это влияние к минимуму, и для большинства применений заводских настроек достаточно. Если при нулевом расходе появляется сигнал, можно скорректировать отсечку малого расхода, порог срабатывания или настройку фильтра нижних частот. После начала течения влияние вибрации, как правило, остается значительно ниже уровня сигнала расхода.

Можно ли применять вихревой расходомер для двухфазных потоков?

Для точного измерения объемного расхода среда должна быть однородной и однофазной; для влажного пара, жидкости с пузырьками газа или газа с каплями жидкости погрешность не гарантируется. Однако опциональная диагностика смены фазы может обнаружить переход к газовой фазе в жидкостной линии и выдать сигнал тревоги. Если двухфазный поток присутствует постоянно, следует рассмотреть другую технологию измерения.

Чем вихревой расходомер отличается от расходомера с диафрагмой?

Метод переменного перепада давления основан на измерении перепада на сужающем устройстве с помощью импульсных линий и датчика перепада давления. Вихревой прибор измеряет частоту срыва вихрей напрямую: ему не нужны импульсные линии, клапанный блок и отдельный датчик, не требуется подстройка нуля, и обычно он обеспечивает более широкий диапазон измерения. Вместе с тем у него есть ограничения по минимальному числу Рейнольдса и скорости, поэтому выбор следует делать с учетом условий процесса и применимых стандартов.